[發明專利]一種二氧化鋯/氧化石墨烯表面改性碳纖維的方法

有效

• 申請號: 201910347434.1
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN110079993B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 武清;趙敏;趙如意;張雨晴;趙晨陽;白換換;席婷
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: D06M11/46
• 分類號: D06M11/46;D06M11/74;D06M11/65;D06M11/55;D06M15/55;D06M101/40
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 張震國

一種二氧化鋯/氧化石墨烯表面改性碳纖維的方法，配置含二氧化鋯的上漿劑、含氧化石墨烯的上漿劑或含二氧化鋯和氧化石墨烯的上漿劑；對碳纖維進行去劑和酸化處理；采用浸漬法將二氧化鋯和氧化石墨烯引入碳纖維表面。本發明所制備的上漿劑中二氧化鋯表面的伯胺基團可與氧化石墨烯表面含氧官能團相互作用，形成氫鍵和共價鍵，有利于界面應力傳遞。剛性的二氧化鋯可以阻礙裂紋的擴展并誘發微裂紋，起到分散主裂紋尖端能量的作用，微裂紋進一步擴展至石墨烯片層后將被進一步阻擋，使復合材料的界面剪切強度提高。本發明的方法可直接用于碳纖維生產線，簡單易行、成本低、效率高、適合工業化生產，具有良好的經濟效益和工業應用前景。

技術領域

本發明涉及材料表面與界面的改性方法，具體涉及一種二氧化鋯/氧化石墨烯表面改性碳纖維的方法。

背景技術

碳纖維增強環氧樹脂基復合材料具有良好的拉伸強度、彈性模量、抗蠕變等性能，可以廣泛應用于能源、交通、體育等領域。當復合材料受到應力作用時，載荷通過界面從樹脂傳遞到碳纖維上，因此，纖維與基體間良好的界面粘結強度很關鍵。然而，碳纖維表面能低，缺少活性官能團的特點使其與樹脂間的潤濕性差，界面粘結強度差。此外，在碳纖維的加工制造過程中，纖維會出現起毛、斷絲等情況，故在制造過程中，纖維表面會涂覆一層聚合物上漿劑。上漿劑可以提高纖維的浸潤性和附著力，改善纖維與基體樹脂間的相容性，提高纖維與樹脂間的界面剪切強度。另外，在碳纖維和基體間的界面層引入納米粒子，納米粒子以化學鍵、離子鍵或氫鍵的方式與碳纖維與基體連接，也可顯著提高碳纖維與樹脂間的機械鎖合和界面粘結性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種二氧化鋯/氧化石墨烯表面改性碳纖維的方法，以提高碳纖維表面活性，改善碳纖維與樹脂基體的浸潤性，增強復合材料的界面剪切強度。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

步驟一、上漿劑的制備

按質量百分比取0.1～1％的硅烷偶聯劑改性二氧化鋯、0.5％～1％的環氧樹脂和98～99.4％的有機溶劑攪拌均勻，得分散均勻的二氧化鋯上漿劑；按質量百分比取 0.1～1％的氧化石墨烯、0.5％～1％環氧樹脂和98～99.4％的有機溶劑攪拌均勻，得分散均勻的氧化石墨烯上漿劑；

或按質量百分比取0.1～1％的硅烷偶聯劑改性二氧化鋯、0.1～1％的氧化石墨烯、 0.5％～1％的環氧樹脂和97～99.3％的有機溶劑攪拌均勻，得分散均勻的二氧化鋯與氧化石墨烯的混合上漿劑；

步驟二、碳纖維表面去劑處理

將碳纖維放入含有丙酮溶液的索氏萃取器中，冷凝回流后干燥；

步驟三、碳纖維表面酸化處理

將表面去劑處理后的碳纖維加入強酸中氧化處理，然后用去離子水清洗至洗液pH呈中性，干燥得到酸化碳纖維；

步驟四、二氧化鋯/氧化石墨烯表面改性碳纖維的制備

將酸化后的碳纖維依次浸入二氧化鋯上漿劑和氧化石墨烯上漿劑中；

或將酸化后的碳纖維浸入二氧化鋯與氧化石墨烯的混合上漿劑中，浸漬后干燥得二氧化鋯/氧化石墨烯表面改性的碳纖維。

所述步驟一的硅烷偶聯劑為3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷偶聯劑。

所述步驟一的有機溶劑為丙酮、二甲基甲酰胺、四氫呋喃或二氯甲烷。

所述步驟一攪拌是在0℃～10℃磁力攪拌4～8h。

所述步驟二冷凝回流溫度為75～85℃，時間為12～48h。

所述步驟二的干燥溫度為60℃～80℃。